基于真空电子学方法的太赫兹源

孟凡亮++余厉阳

摘 要：太赫兹技术因其在医疗诊断，安全检查等领域具有很大的应用价值，使其成为当前各国争先研究的领域。太赫兹源则是太赫兹技术研究中极为关键的器件之一，而基于真空电子学方法的太赫兹源又是当前太赫兹源研究领域的重要分支之一。综述行波管、返波管以及回旋管这几类真空电子太赫兹源的结构、原理，结合器件的频率、功率等问题进行了重点讲解，同时对纳米速调管这一极具发展潜力的技术进行了展望。

关键词：太赫兹源；真空电子学；微加工技术；慢波结构

中图分类号：O462，O441.4，TN11 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

太赫兹（THz）波一般是指频率处在0.1～10 THz范围的电磁波（1 THz=1012 Hz）。在太赫兹技术和应用中，太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的关键技术。目前对于太赫兹源的研究方法主要包括基于光子学的太赫兹源以及基于真空电子学的太赫兹源[1，2]。本文这里主要其中利用微波管的分布作用原理而产生太赫兹波的真空电子器件，主要包括行波管、回旋管、返波管和速调管等。

1 基于真空电子学方法的太赫兹源

基于真空电子学方法的太赫兹源可以用在毫米波和太赫兹频域，主要采用阴极发射高能电子束，经过慢波结构，和高频场相互作用，产生速度调制和密度调制，以致电子产生群聚。由于每一个电子都作如上的群聚，从而使整个电子注与场有净的能量交换，辐射出太赫兹波。

1.1 行波管

行波管是20世纪40年代早期发明的用于射频能量放大的真空电子器件[3]。由于其高功率、宽频带、高效率，不需强磁场等优点，加上现代加工技术的不断发展，行波管的研究近年来倍受各国研究机构的关注。美国的诺斯洛普·格鲁门公司（NGC）提出的折叠波导慢波结构是唯一可以输出太赫兹波的方法，如图1所示，是利用电子注与沿慢波电路系统行进的输入电磁波间的连续相互作用而放大超高频电磁波，为了使电子注同电磁波产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的电磁波的相位传播速度略高。图中磁导体聚焦系统的作用是用电磁场力来约束电子注的扩散。

NGC根据DARPA的太赫兹电子项目计划，目前正在研究一个在670 GHz的，旨在提供92 mW，带宽为52 GHz折叠波导行波管[4]。DARPA计划的最终目标是在频率为670GHz、850 GHz、1 030 GHz时，输出功率分别为63 mW，25 mW，10 mW，最小瞬时带宽为15 GHz。

图1 折叠波导太赫兹行波管

折叠慢波电路是一种平面结构的全金属慢波电路，高频损耗较小，解决了行波管在高频电路加工过程中的困难。由于它具有一系列优点，易于加工和散热，功率容量比较大，所以在许多微加工的行波管中采用了这种慢波结构。

1.2 返波管

返波管（BWO）是在行波管、磁电管等真空管微波器件的基础上发展起来的真空电子管，是一种能满足毫瓦级输出，结构紧凑，具有高迁移率等优点，尤其在0.1～1.5 THz频率范围可以产生连续波功率。其结构示意图如图2所示。在返波管中，原理与行波管基本相同，但在返波管中，输出端是靠近电子枪的一端，电磁波的相速度方向与电子注运动方向相同，但群速度却与电子注方向相反，当满足下列相位条件时，

（β0-βe）l=2πCNb（2n+1）（n=0，1…） （1）

其中，C为增益参量，b为非同步参量，此时返波与电子注相互作用构成正反馈效应，通过这种正反馈，高速电子被电势场减速，产生群聚，而太赫兹波沿电子运动相反的方向传播并得到不断放大，由靠近阴极的波导耦合输出。返波管可以发射单一频率的太赫兹辐射，并具有一定的调谐范围（大约50%），功率可以达到毫瓦以上。但是当频率大于1 THz时，其工作效率和输出功率会迅速下降，仍需进一步提高[5]。如图3所示[6]，是近年来返波管在太赫兹频率和低于太赫兹频率时的连续能量输出结果示意图。

图2 返波管示意图

图3 返波管在太赫兹附近频段连续能量输出

2010年，Mineo等人利用波形矩形波导慢波结构在中心频率为1 THz，20%可调带宽时，产生了大于100 mW的输出功率，后来，他们采用双波形矩形波导结构产生650 GHz，输出功率为75 mW[7]。2011年，电子科技大学真空电子科学与技术国家重点实验室[8]采用简单的正弦波导的慢波结构结合片材电子强，用于太赫兹波输出。研究结果表明，当工作电压在27 kV，电子束电流在5 mA时，中心工作频率为1 THz时，可以达到1.9 W的峰值功率输出，在1 THz的效率为1.4%以上，但电路的长度仅为7.2 mm。

目前返波管中的研究难题主要包括电路中的高能欧姆损耗以及急需对强反射的慢波结构的改进，这些损耗和强反射主要发生在结构中的不连续点。近年来，利用场发射阵列和拥有高电流密度的片状电子枪对于返波管性能的改善，逐渐走进各国研究人员的视野。

1.3 太赫兹回旋管

回旋管是一种在毫米波长范围可以产生连续能量在兆瓦量级，同时在太赫兹范围也可以产生数十千瓦量级的高能相干辐射源，是目前工作在毫米波及太赫兹频段产生功率最高的真空电子学器件，如图4所示。在回旋管中产生的电磁辐射是由于弱相对论回旋电子束和在谐振腔中近于截止的TE波相互作用的结果。回旋管原理示意图如图所示，它有电子枪、高频谐振腔，以及由束流收集器和输出窗组成的输出波导三部分组成，由电子枪发射的高能电子在谐振腔中的静磁场B0中，当满足条件：

ω-Kv0≈sωc时， （2）

其中，ωc和ν0是电子的回旋频率和漂移速度，ω和K是电磁波的频率和波矢量，电子的速度与回旋频率成反比，把能量交给波场的电子，电子能量减小，速度减小，回旋频率增大，回旋半径减小；反之，电子速度增大，回旋频率减小，回旋半径增大。其次，如果电磁波的频率等于电子的回旋频率，此时一个周期内电子注整体上失去和得到的能量是相等的，与电磁场没有能量净交换；如果电磁波的频率略小于电子的回旋频率，电子群聚块逐渐向加速区移动，电子将从电磁场吸收能量；如果电磁波的频率略大于电子的回旋频率，电子群聚块逐渐向减速区移动，电子将向电磁场释放能量，从而使场的信号幅度持续增强。

图4 回旋管示意图

回旋管在强磁场研究的推动下，已经可以在太赫兹频段获得高能量的相干辐射。2008年， Glyavin等人[9]首次报道了回旋管功率达到了1 THz以上，利用40 T脉冲电磁铁工作。当电磁场强度在38.5 T时，输出频率在1.022 THz时功率为1.5 kW。2010年，他们又利用48.7 T强磁场，已经取得1.3THz的频率输出[10]。2011年日本福冈大学（FU）[11]利用二次谐波振荡的方法在TE1，8模式下，尽可能地远离基次谐波的TE4，3工作模式的干扰，产生了388 GHz，功率62 kW的新纪录。按照输出62 kW的结果，通过改变回旋管的电子枪，以使电子束耦合到另一个振荡模式TE17，2，输出结果为389GHz，83 kW。

进一步提高频率要遇到强磁场的限制，甚至采用超导磁铁，这样的磁场系统过于庞大、造价昂贵，不利于实际应用。因此，降低磁场是太赫兹回旋管研究重点之一。

2 结 语

除了上面所述的三个真空电子太赫兹源外，还有速调管，也是在太赫兹领域研究的热点。速调管是一种靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波真空电子器件。目前纳米速调管己成为太赫兹领域的一个很热门的研究课题，美国加州理工学院（CIT）的JPL实验室等研制的纳米速调管可望在1～3 THz频率上工作。由于它使用了微加工技术，可以保证每个纳米速调管的频率和相位一致，因此可以组成纳米速调管阵列，大大提高输出功率，预期应用频率范围在0.3～3.0 THz，输出功率大于50 mW。

参考文献

[1] 刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[J].电子科技大学学报，2009，38（5）：481～486.

[2] 杨鹏飞，姚建铨，邴丕彬，等.太赫兹波及其常用源[J].激光与红外，2011，41（2）：125～131.

[3] J. R. Pierce. Travelling Wave Tubes[M]. New York： Van Nostrand，1950.

[4] J. Tucek，M. Basten，D. Gallagher et al..1.2：Sub-millimeter and THz power amplifier development at Northrop Grumman[C].2010 IEEE International Vacuum Electronics Conference （IVEC），2010：19–20.

[5] G. Kozlov，A. Volkov. Millimeter and Submillimeter wave Spectroscopy of Solids[M]，Berlin：SPringer，1998.

[6] J.H. Booske， Richard J. Dobbs， Colin D. Joye et al.. Vacuum Electronic High Power Terahertz Sources[J].IEEE Trans. Terahertz Sci. Tech.2011，1（1）：54-75.

[7] M. Mineo，C. Paoloni. Corrugated Rectangular Waveguide Tunable Backward Wave Oscillator for Terahertz Applications[J].IEEE Trans. Electron Devices，2010，57（6）：1481-1484.

[8] Xiong Xu， Yanyu Wei， Fei Shen et al.. A watt-class 1-THz backward-wave oscillator based on sine waveguide[J]. PHYSICS OF PLASMAS， 2012， 19（1）：111-113.

[9] M. Y. Glyavin， A. G. Luchinin，G. Y. Golubiatnikov et al .Generation of 1.5-kW， 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field[J]. Phys. Rev. Lett.， 2008，100（1）：101-105.

[10] M. Glyavin， A. G. Luchinin， Y. V. Rodin. Generation of 5 kW 1THz coherent radiation from pulsed magnetic field gyrotron[C]. 2010 35th International Conference on Infrared， Millimeter， and Terahertz Waves， 2010：1-3.

[11] T. SAITO， S. Ogasawara，N. Yamad et al..New Power Records of Sub-Terahertz Gyrotron with Second-Harmonic Oscillation[J]. Plasma and Fusion Research，2012（7）：1206-1208.